Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах Текст научной статьи по специальности «Физика»

Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И МАССЫ ЖИДКИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ

В статье рассматривается ряд известных способов и устройств измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах с использованием различных физических эффектов. Дается анализ известных технических решений с указанием на присущие им недостатки. Предлагается способ и устройство, позволяющие повысить точность измерений за счет изменения структуры построения измерительного преобразователя и метода вычисления средней температуры, уровня и массы жидкой среды.

Известно ряд способов и устройств измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах с использованием различных физических эффектов [1, 2]. Так в преобразователе [1] из-за градиента температур, существующего по высоте резервуара, измеренное значение плотности отличается от средней плотности жидкой среды, наблюдается значительная погрешность определения массы жидкой среды из-за невысокой точности измерения плотности. А в устройстве [2] по временному измерительному интервалу в магнитострикционном уровнемере и по сигналам с датчиков температуры, размещенных по всей длине уровнемера, последовательно вычисляют уровень, среднюю температуру, разность температур, плотность, объем и массу жидкой среды. Недостатком способа является значительная погрешность определения массы из-за невысокой точности измерения уровня и погрешности определения средней температуры жидкой среды. Дело в том, что с помощью датчиков температуры, размещенных по высоте резервуара (газовой и жидкой средах), определяется не средняя температура жидкой среды, а средняя температура резервуара. Кроме того, чувствительный элемент (волновод) в магнитострикционном уровнемере, размещенный по высоте резервуара, находится в разных температурных зонах, и поэтому задний фронт временного измерительного сигнала, зависящий от скорости ультразвуковой волны в вдоль этих участков, будет испытывать нежелательные фазовые отклонения (эффект «джиттера»), что влечет к погрешности измерения уровня.

Для повышения точности измерения уровня и массы жидких сред предлагается возбуждать акустические волны в двух местах волновода, размещенного в жидкой среде по высоте резервуара, одно - на границе раздела сред, другое - у конца, находящегося в жидкой среде, регистрировать эти волны у другого конца волновода, расположенного в газовой среде. Измерять интервалы времени между моментами регистрации акустических волн. Далее во втором волноводе, установленном параллельно первому волноводу возбуждать акустические волны, регистрировать и измерять интервалы времени между моментами регистрации акустических волн и последовательно вычислять по формулам: разность между средней и фиксированной температурой жидкости 20 °С

Д0 _ С10 * (¿2 ~ А) ~ С20 * (¿2 ~ ¿1 ) .

С20 * а2* (*2 *1 ) С10 * а1* (*2 *1)

уровень жидкой среды

Н = (¿2 - ) * с20 * (1 + а2 * А®) ;

массу жидкой среды в резервуаре

т = ^(Л)-р20 '(1 + Р -Л0),

где Сю и с20 - скорости крутильных волн в первом и втором волноводах при температуре 20 °С; а и а2 - температурные коэффициенты скоростей акустических волн первого и второго волноводов;

(¿2 — ¿1) и (¿2 — ¿1) - интервалы времени между моментами регистрации крутильных волн в первом и втором волноводах; У(Ъ) - вместимость резервуара, соответствующая уровню Л;

Р20 и р - плотность и коэффициент объемного расширения жидкой среды при температуре 20 °С, причем возбуждение акустических волн в волноводах осуществляют от общего источника, а материалы волноводов выбирают так, чтобы скорости и температурные коэффициенты скоростей акустических волн в них были бы различны.

При возбуждении крутильных волн в двух местах в ферромагнитных волноводах на расстояниях, соответственно равных Нт-Н (на границе раздела сред) и Нт от мест регистрации, крутильные волны достигнут последних соответственно через промежутки времени

к — к | кт — к к

т 1 -В---------------------=- (1)

1 ж с1г У с1г с1ж

* * ( к кт — к | кт — к к

и ¿— / =1----------+ -т---- —т-------------------------=-, (2)

2 1 I. с2 ж с2г у с2г с2ж

где С1ж = сю(1 + «1 -Д0) (3)

С2ж = С2о(1 + а 2 -Л0 ) (4)

Д0 = 0с - 2 0 °С (5)

с10 Ф с20 (6)

а1 Ф а2 (7)

В формулах (1) - (7): Л - уровень жидкой среды в резервуаре; Лт - максимальный уровень; ¿1 и

* *

¿2, ¿1 и ¿2 - соответственно промежутки времени от момента возбуждения до момента прихода акусти-

ческих волн к местам регистрации для первого и второго волноводов; С1ж и С1г, С2ж и С2г - средние скорости акустических волн в жидкой и газовой средах для первого и второго волноводов соответственно; Сю и С20, а1 и а2 - скорости крутильных волн при 20 С и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн первого и второго волноводов; 0с - средняя температура жидкой среды.

Уравнения (1) - (7) позволяют определить разность между средней температурой жидкой среды и 20 ° С А® = С10 * (¿2 — ¿1) — С20 * (¿2 — ¿1 ) £ Q ^

С20 * а2 * (¿2 — ¿1 ) — С10 * а1 (¿2 — ¿1) уровень к = (¿2 — )*С20 *(1 + а*А®) , (9)

и массу жидкой среды в резервуаре т = V(к) *р20(1 + Р*А®) , (10)

где V(h)

- вместимость резервуара, соответствующая уровню Л (для резервуара величина извест-

ная); Р20 и р - плотность жидкости при температуре 2 0 С и коэффициент объемного расширения жидкой среды (величины постоянные для конкретного вида жидкой среды).

Так как в уравнениях (1) - (4) С1Ж и С2ж - средние скорости волн в участках волноводов,

находящихся в жидкой среде. Градиенты температур по высоте резервуара не могут влиять на результаты измерения уровня и определения массы жидкости, чем и достигается технических результат.

Рисунок 1 - Структурная схема магнитострикционного измерителя уровня и массы жидких сред в резервуарах : 1 - резервуар; 2 и 3 - ферромагнитные волноводы; 4 - подвижный постоянный магнит, входящий в состав поплавка 5 и размещенный на границе раздела жидкой и газовой сред; 4* - неподвижный постоянный магнит, размещенный в жидкой среде на дне резервуара; 6 - элементы регистрации

акустических волн; 7 - акустические демпферы; 8 - формирователь импульсов тока возбуждения 1ИТВ

акустических волн в волноводах; 9 - усилители-формирователи импульсов тока считывания 1ИТс ;10 -формирователи временных интервалов; 11 - вычислительное устройство; Лт - максимальный уровень

жидкости в резервуаре; Л - уровень жидкости от дна резервуара до поплавка с магнитом; и (Л) и и(т)

- сигналы, пропорциональные уровню и массе жидкости в резервуаре; (3 и р20 - коэффициент объемного

расширения и плотность жидкости при температуре 20 °С; С10 и С20 - скорости акустических волн в

первом и втором волноводах при температуре 20 °С; а1 и а2 - температурные коэффициенты скоростей

акустических волн первого и второго волновода.

Измеритель уровня и массы жидких сред в резервуарах (рисунок 1) содержит два одинаковых по конструкции ферромагнитных волновода 2 и 3, которые размещены параллельно в резервуаре 1 и контактируют с газовой и жидкой средой. Волноводы имеют общие элементы возбуждения - постоянные магниты 4 и 4*, причем постоянный магнит 4* размещен у концов волноводов на дне резервуара, а постоянный магнит 4 - в поплавке 5 на границе раздела двух сред. Концы волноводов помещены в демпферы 7. Элементы регистрации 6 являются входными преобразователями каналов приема акустических волн. Волноводы электрически соединены последовательно и подключены к формирователю импульсов тока возбуждения 8.

Каждый канал приема акустических волн содержит усилитель-формирователь импульсов тока считывания 9 и формирователь временных интервалов 10. Сигналы с выходов формирователей 10 поступают в вычислительное устройство 11, в памяти которого находятся постоянные С10, С20, а1 и а2, а перед измерением заносят постоянные р и р20. Измеритель уровня и массы работает следующим образом.

Импульсы тока возбуждения 1итв от формирователя 8 возбуждают с помощью постоянных магнитов 4 и 4* в каждом волноводе по две крутильные акустические волны (прямой эффект Видемана). Эти волны последовательно регистрируются элементами 6 в виде импульсов тока считывания 1ИТс в моменты вре-

мени ti, t2, ty , t2 прихода акустических волн к соответствующему элементу регистрации (обратный эффект Видемана). Токовые импульсы считывания усиливаются и преобразуются формирователем 9 в видеоимпульсы, которые поступают на входы формирователей 10 интервалов времени, с выхода которых

в виде интервалов времени (t2 - ti) и (t* - t2 ) поступают на входы вычислительного блока 11, где

последовательно вычисляются разность температур Д0, уровень h и масса m жидкой среды по фор-

мулам (8) - (10).

ЛИТЕРАТУРА

1. Контроль количества и качества нефтепродуктов / А.М. Несговоров, Ю.А. Фролов, А.И Буланов. Под ред. В.Ф. Новоселова. - М.: Недра, 1995. - 156 с.

2. Уровнемер «Струна-М». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. КШЮЕ 2.834.008.ТО.

Королев: ЗАО НТФ «НОВИНТЕХ», 1996. - 47 с.